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Zweidimensionales Polymer ist stärker als Stahl

14.02.2022

Amerikanische Materialwissenschaftler haben gelernt, zweidimensionale Polymere zu synthetisieren, die sich im Gegensatz zu anderen in Schichten anordnen können, anstatt eindimensionale Ketten zu bilden. Das zweidimensionale Polyaramid aus Melamin ist sechsmal weniger dicht als Stahl, aber fast doppelt so stark. Das Herstellungsverfahren ist skaliert – das Material baut sich in Lösung selbst zusammen.

Chemiker streben danach, eine kovalent gebundene, hochperiodische Molekülstruktur mit einer Dicke von einem Monomer zu erhalten. "Molekularer Teppich" ist ein guter Begriff für ein zweidimensionales Polymer. Echte zweidimensionale Polymere sind ein Monomer dick und haben eine regelmäßige Struktur.

Das große Problem bei der Herstellung von XNUMXD-Polymeren besteht darin, dass das sphärische XNUMXD-Gegenstück viel schneller wächst, obwohl es Strategien zur Synthese solcher Strukturen gibt. Das heißt, nur die gewünschte Molekülstruktur polymerisiert, sie wird schnell von der bereits bekannten dreidimensionalen Struktur überholt, zu deren Erzeugung eine Rotation der Bindung des angelagerten Monomers genügt. Forscher des Massachusetts Institute of Technology versuchten in ihrer Arbeit, diese Einschränkung zu umgehen und begannen, mit Amiden zu experimentieren.

Die Hypothese der Autoren der Arbeit ist, dass starke Amid-aromatische Bindungen die intrastrukturelle Rotation der Ketten hemmen, das heißt, sie werden ihnen nicht erlauben, zurückzukehren und die Ebene zu verlassen. Die Wissenschaftler mischten Melanin und Trimesoylchlorid in Gegenwart von Pyridin, und das resultierende Gel wurde gereinigt und im Vakuum getrocknet, was zu ihrem zweidimensionalen Polymer führte, in dem die Moleküle aufgrund starker Wasserstoffbindungen zwischen den Schichten zu Nanoschichten zusammengesetzt wurden.

Da sich das Material in Lösung selbst zusammensetzt, kann es in großen Mengen hergestellt werden, indem einfach die Menge an Ausgangsmaterialien erhöht wird. Die Wissenschaftler nannten das geschaffene Material Polyaramid. Sie schätzten die durchschnittliche Moleküldicke auf 3,69 Angström und den Durchmesser auf 10,3 Nanometer, was ein charakteristisches Merkmal der zweidimensionalen Polymerisation ist.

Die Rasterelektronenmikroskopie der erhaltenen Filme zeigte keine Defekte in der Polymerstruktur, und ein Gasdurchlässigkeitstest zeigte, dass Polymerfilme Gas etwa 22-mal schlechter durchlassen als die gasdichtesten Sperrmaterialien. Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass der Elastizitätsmodul des neuen Materials – die Kraft, die erforderlich ist, um das Material zu verformen – einen Wert von 12,7 Gigapascal erreicht, was deutlich höher ist als der von Thermoplasten, verstärktem Epoxid oder Nylon. Und die Zugfestigkeit des neuen Materials betrug etwa 488 Megapascal, fast doppelt so hoch wie die von ASTM A36-Baustahl. Da die Dichte des Polymers etwa ein Sechstel der von Stahl beträgt.

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